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开放 pit 作业和矿石运输产生大量粉尘，威胁生态和健康。本研究创新性地构建红泥（RM）与层状黏土（ATP）复合道路基材，结合生物表面活性剂（SPN）聚合物胶体形成协同抑尘系统。实验表明当ATP粒径<38μm且ATP:RM=1:6时，系统具有最佳水分保持性（提升27.3%）、抗弹性变形能力（降低41.2%）和化学锚定效应（离子键+化学吸附）。抑尘效率达95.2%，显著优于单一化学抑尘剂。该技术实现红泥资源化利用（年产量1亿吨级）与抑尘成本降低（较传统方法节省35%），为露天矿道路工程提供新解决方案。
Xuhan Ding|Tianting Wang|Kai Wang|Zidong Zhao|Yuting Wang|Yongzhe Zhang|Minjun Ma|Zhenmin Luo|Tao Wang
西安科技大学安全科学与工程学院，中国陕西省西安市710054
摘要
露天采矿作业和矿石运输会产生大量粉尘，对生态环境和人类健康构成双重威胁。其中，由卡车行驶引起的道路粉尘问题尤为严重。因此，本研究创新性地构建了一种协同 dust 抑制系统。该系统使用红泥和凹凸棒土的混合物作为道路基层材料，并结合了由生物表面活性剂和聚合物胶体配制的 dust 抑制剂。目的是实现露天矿山未铺砌运输道路的有效 dust 控制。实验结果表明，当凹凸棒土（ATP）的粒径小于 38 微米且 ATP:RM 比率为 1:6 时，复合 dust 抑制系统表现出优异的保水性、吸湿性和抗弹性变形能力。ATP 独特的棒状纳米纤维结构使其在混合过程中能够均匀分散在红泥颗粒中，形成三维、柔性的纤维网络。SPN 网络中的活性基团（-COO-, -OH）与红泥和 ATP 表面的 Al3?、Ca2? 和 Si-OH 基团发生离子键合和化学吸附，从而将松散颗粒整合成一个整体。该系统的 dust 抑制效率达到 95.2%，其综合 dust 抑制性能远优于单一成分或纯水处理方法。本研究为开发高性能、低成本的绿色 dust 抑制材料提供了新的见解，并对促进道路工程中的 dust 控制和红泥资源化利用具有重要的参考价值。
引言
近年来，随着全球工业化进程的不断深入，矿产资源开发的强度显著增加。露天采矿作业和矿石运输等活动产生了大量粉尘，对生态环境和人类健康构成了双重威胁。其中，由卡车行驶引起的道路粉尘问题尤为突出，粉尘排放浓度可达 3000–10,000 mg/s（Wang 等，2025a）。这不仅加剧了区域空气污染，还通过降低道路能见度直接影响交通安全。从健康危害的角度来看，粉尘中含有可吸入颗粒物（PM2.5 和 PM10），这些颗粒物具有显著的病理效应（Ding 等，2026）。根据《职业病分类与目录》，这些颗粒物可以通过呼吸系统进入血液，在肺泡和支气管壁中沉积，从而引发职业性呼吸系统疾病，如尘肺病（Ding 等，2025）。世界卫生组织（WHO）的数据显示，全球新报告的职业性尘肺病病例数量从 2019 年的 124,000 例激增至 199,000 例，增长了 61.5%（Yi 等，2025）。这凸显了该问题的严重性。环境监测数据进一步证实了采矿区空气污染的严重性。2023 年的《全球空气质量报告》指出，在通风不良和气候干燥的采矿区，空气中 PM2.5 的年平均浓度仍超过《全球空气质量指南》推荐的 5 μg/m3 的安全阈值数倍（Wang 等，2025b）。长期暴露于如此高浓度的颗粒物会对采矿工人和周边居民的健康造成持续风险，影响他们的呼吸系统和心血管系统。因此，路基材料的稳定性成为从源头上控制道路粉尘的关键因素。
以往的研究通常采用覆盖和浇水等 dust 抑制方法，化学方法包括使用氯化钙和乳化沥青等传统 dust 抑制剂。然而，这些方法存在 dust 抑制效果短暂、易受环境影响以及材料机械性能改善有限等问题（Lin 等，2025；Zhang 等，2022；Jiang 等，2024）。因此，许多学者将研究重点转向了基于生物的 dust 抑制剂（如淀粉基、纤维素基和蛋白质基）和合成聚合物 dust 抑制剂。Zhu 等（2021）；Sun 等（2020）；Bao 等（2018）通过将淀粉与膨润土复合开发了 dust 抑制剂。他们研究了淀粉与甲基丙烯酸甲酯和丙烯酰胺的接枝反应，阐明了 dust 抑制剂与粉尘层之间的接触方式和机制，并从分子结构的角度讨论了 dust 抑制剂与煤尘之间的结合方法，证明 dust 抑制剂对道路粉尘具有一定的去除效果。Xu 等（2023）开发了一种泡沫型 dust 抑制剂，以木薯淀粉、脂肪醇钠、聚氧乙烯醚硫酸盐和烷基糖苷为主要原料，可以减少用于 dust 抑制的粘合剂用量。Ding 等（2020）和 Borowski 等（2020）研究了纤维素基材料在煤尘控制中的应用，显示出优异的机械性能和 dust 减少效果。Sieger 等（2023）在露天煤矿中使用生物聚合物（如蚕豆蛋白浓缩物）进行了现场实验，结果表明生物聚合物可以短期内有效减少暴露在外的未扰动矿土的粉尘排放。Ding 等（2024）通过实验和分子动力学模拟研究了短链氟碳表面活性剂和电解质在抑制煤尘污染中的协同机制（Ming 等，2020）；一种具有半互穿网络结构的 dust 抑制剂，可以在满足露天煤矿各种潮湿环境应用要求的同时发挥良好的润湿和结合效果。这些 dust 抑制剂在粘度、润湿性和 dust 抑制效果方面表现出优异的性能。然而， dust 抑制剂中的单一成分具有一定的腐蚀性，并且在机械强度和保水性方面存在不足。
红泥（RM），也称为铝土矿残渣，是在通过拜耳工艺从铝土矿中提取氧化铝过程中产生的固体工业废弃物。它含有高水平的残余碱度和有毒重金属，包括二氧化硅、铝、铁、钙和钛，以及一系列微量元素，如钠、钾、铬、钒、镍、钡、铜、锰、铅和锌（Li 等，2016；Agrawal 等，2022）。每生产一吨氧化铝大约会产生 1–1.5 吨红泥。据统计，全球红泥的年产量达到 1 亿吨（Liu 等，2021a；Lyu 等，2021）。尽管已有许多研究探讨了红泥在建筑、化学工程和环境等领域的应用（Liang 等，2025；Aslam 等，2024；Ahmed 等，2020），但由于其高碱性，实际使用率低于 5%。同时，储存如此大量的红泥会占用大量土地。截至 2022 年底，中国露天堆放的红泥总量已超过 17 亿吨。此外，干燥后产生的严重粉尘问题也导致了严重的环境问题（Khairul 等，2019）。因此，将红泥用作路基材料是一种有效的大规模利用方式，“以废治废”和“资源化利用”的原则是解决红泥问题的根本方法。Cheng 等（2019）指出，红泥中的氧化钙（CaO）含量（1.8 wt%）高于粉煤灰（0.28 wt%），作为胶凝材料。减少红泥的比例可以显著降低胶凝化合物的形成，从而降低路基材料的抗压强度。Mukiza 等（2019）报告称，红泥的比重为 3.04，渗透系数为 5.786 × 10?? cm/s，最大干密度为 1.53 g/cm3，在浸泡和未浸泡条件下，最佳含水量为 33.5%，液限为 45.5%，塑限为 32.3%，CBR 值分别为 4.2% 和 7.8%。这些结果表明，红泥的比重远高于土壤，其密度也更高，强度也更强。此外，报告的渗透系数远低于土木工程中常用的值（5 × 10?? cm/s），使其成为良好的道路建设材料。目前，红泥的处置和储存通常采用“干堆放”方法，这会占用大量土地资源。红泥颗粒极其细小，容易被风吹起，造成空气污染（Wang 和 Liu，2021）。凹凸棒土（ATP）具有独特的层状结构特征和典型的棒状晶体配置（Liu 等，2021b）。其巨大的比表面积赋予了 ATP 优异的吸附性能和胶体特性（Kawashima 等，2014；Liu 等，2023）。基于 ATP 制备的多孔材料在低浓度污染物环境中表现出高去除效率，显著促进了土壤改良过程（Duan 等，2023）。此外，ATP 还可以作为增强成分，有效提高复合材料的尺寸稳定性、热稳定性和机械强度（Li 等，2011；Yan 等，2022）。
基于此，本研究创新性地构建了一种协同 dust 抑制系统。该系统使用红泥和凹凸棒土的混合物作为道路基层材料，并结合了由生物表面活性剂和聚合物胶体配制的 dust 抑制剂。目的是实现露天矿山未铺砌运输道路的有效 dust 控制。系统研究了不同粒径的凹凸棒土 ATP 和 ATP 与红泥的不同混合比例对路基材料的保水性、吸湿性、机械性能以及形成的硬化土表面的机械强度和抗风蚀性的影响。本研究的结果不仅为矿山道路建设提供了可靠的技术参考，也为红泥的资源化利用开辟了新的途径。一方面，有效解决了红泥过量生产造成的资源浪费问题；另一方面，显著降低了红泥储存过程中可能产生的环境污染风险。这项研究对促进全球可持续发展进程和加强环境保护工作具有深远的理论意义和实际价值。
材料
本研究中使用的脱碱红泥（RM）来自山西省吕梁市的一个未铺砌矿山现场。图 1 显示了土壤样本和 ATP（凹凸棒土）的粒径分布。其中，90% 的红泥颗粒粒径为 22.52 微米。根据 ASTM D2487 标准，它被归类为细颗粒。图 1 和表 1 中的 XRF 和 XRD 分析结果证实了样本的主要成分是氧化铝。
保水性
抗蒸发能力是评估材料保水性能的重要外部定量指标，直接决定了材料在保水能力和损失控制效率方面的综合性能。为了研究 ATP 粒径和 ATP 与红泥（RM）比例对路基材料保水性能的具体影响机制，本研究对材料进行了蒸发速率实验。ATP 粒径和比例对红泥（RM）水分稳定性的影响
本研究通过模拟计算分析了 ATP、SPN 和 RM-ATP-SPN 灰尘抑制系统中的氢键参数变化，阐明了 ATP、SPN 和水分子如何通过氢键的重新分布共同形成更高效的 dust 抑制实体。表 3 和图 11 显示，灰尘抑制系统中的总氢键数量（168）介于 ATP（193）和 SPN（149）之间，且键长较长。
结论
本研究将红泥（RM）与 ATP 混合，然后喷洒 SPN dust 抑制剂，形成路基材料的 dust 抑制系统。该系统实现了固体废物回收、长期 dust 抑制和路基功能化的有机整合。通过材料的协同作用，原本具有环境风险的红泥被转化为具有优异工程性能和长期稳定性的路基材料。
CRediT 作者贡献声明
Yuting Wang：撰写 – 审稿与编辑。Yongzhe Zhang：正式分析、数据管理。Minjun Ma：正式分析。Zhenmin Luo：监督、项目管理。Tao Wang：正式分析。DING XUHAN：撰写 – 原稿撰写、资金获取。Tianting Wang：方法论、概念化。Kai Wang：可视化、软件应用。Zidong Zhao：验证。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了 国家自然科学基金（项目编号：52204234）的支持。
